复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

基于细观模型的复合推进剂宏观松弛行为

采用随机算法生成了指定体积分数的复合固体推进剂细观分析模型。通过有限元方法及对细观场量的均匀化处理,对复合固体推进剂不同随机分布、颗粒尺寸分布及在不同应变水平下的力学响应进行了数值模拟,研究了颗粒分布随机性及颗粒大小对推进剂松弛性能的影响,并预测推进剂在宏观上的松弛行为。类比于时间温度等效原理,建立了复合推进剂时间-应变等效,并通过该原理将各应变水平松弛曲线沿时间轴平移,得到复合推进剂的预测松弛模量主曲线,预测结果与试验结果吻合较好。通过该方法生成的细观分析模型,可直观描述细观结构损伤对推进剂松弛力学性能的影响,并可在一定程度上预测不同配比方案复合推进剂的宏观松弛行为,对复合固体推进剂的配方设计及固体火箭发动机装药设计具有一定的指导意义。     

复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征

复合固体推进剂脱湿涉及导弹武器的贮存和使用情况。针对复合固体推进剂脱湿过程细观建模与损伤定量表征开展研究。首先为研究复合固体推进剂在外界载荷作用下的细观损伤演化规律,基于随机序列吸附法、热膨胀原理和分步填充的思想,实现了高体积分数颗粒填充,并通过几何合并的方式,加入粘合剂基体和颗粒/基体界面,建立了高体积分数固体推进剂三维细观结构模型。该细观几何模型将固体氧化剂(AP)颗粒与羟基封端的聚丁二烯(HTPB)粘合剂基体的连接界面处设定为内聚力单元,基于双线性损伤内聚力模型,考虑粘合剂基体与时间相关的粘弹特性,开展了不同应变率下固体推进剂的颗粒/基体界面脱湿数值模拟。提取内聚力界面单元高斯积分点的几何体积和刚度衰减率SDEG数据,定义固体推进剂材料内部脱湿面积,对其细观损伤进行了定量表征。结果表明,该三维细观结构模型能有效表征固体推进剂的细观结构。在外界载荷作用下,颗粒/基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域,界面损伤导致颗粒承载能力下降,且应变率越高,推进剂内部越容易出现损伤。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元。针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理。将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程。研究结果表明,数值模拟结果的损伤形貌与试验结果吻合良好,建立的数值模型能较好地反映粘接界面细观损伤过程;对于初始粘接良好的粘接界面,颗粒的脱湿与粘合剂基体的损伤导致了拉伸过程中粘接界面应力应变曲线的非线性;为了提高粘接界面抵抗脱粘的能力,一方面应提高推进剂内部颗粒与粘合剂基体的粘接强度,另一方面颗粒脱湿之后,提高粘合剂基体的最大失效应力。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面影响

为研究振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面的影响,进行了振动载荷和定应变作用下HTPB推进剂高温老化试验,测试了不同载荷和老化时间下推进剂的宏观力学性能,利用扫描电镜观测了推进剂的细观破坏过程,基于颗粒增强本构理论,分析了推进剂基体/颗粒粘接界面的损伤规律。结果表明,振动载荷和定应变的作用使HTPB推进剂的初始模量和抗拉强度均减小,高温老化、定应变和振动载荷的作用都会破坏推进剂基体/颗粒粘接界面、降低推进剂固体颗粒模量增强效果,定应变状态下振动载荷作用后,粘接界面损伤最严重。     

考虑颗粒形状的复合固体推进剂细观损伤分析

HTPB复合固体推进剂作为一种多颗粒填充的含能材料,其损伤过程复杂。为更直观地分析其受损过程,从细观角度出发,通过分子动力学方法建立圆形颗粒填充模型与多边形颗粒填充模型。在颗粒/基体界面嵌入了零厚度的内聚力单元,分别采用双线性内聚力模型与指数型内聚力模型的分离位移关系对其进行数值仿真,并通过了Hooke-Jeeves反演方法得到了内聚力模型参数。通过对5组加载速率下不同模型的试验结果与仿真结果对比,发现多边形颗粒模型更符合推进剂的细观结构;指数型内聚力模型更适合粘弹性材料的损伤;载荷速率的提高,使得材料的模量下降率升高。     

基于粘弹性VCFEM的复合固体推进剂等效松弛模量预示方法研究

复合固体推进剂松弛模量一定程度上决定了固体发动机的结构完整性和贮存寿命,为获得推进剂组分材料参数、夹杂相质量分数、级配的质量分布和粒径比等细观特征参数对等效松弛模量的影响规律,基于Prony级数粘弹性本构模型在时域内的离散形式,推导了含夹杂相粘弹性VCFEM(Voronoi单元有限元方法)的有限元列式,结合二分法提出了推进剂等效松弛模量预示方法,采用随机抽样的方式完成了不同细观特征参数下推进剂等效松弛模量的影响分析。结果表明,夹杂相的组分材料参数和颗粒级配对等效模量的影响较小,在给定的参数变化范围内,结果的变化幅度小于10%,而基体相模量和夹杂相质量分数对等效松弛模量的影响非常显著,分别呈现线性增长和加速增长的趋势。     

复合推进剂的细观失效机理分析

建立了颗粒填充复合推进剂的细观有限元模型,计算了颗粒与基体粘结完好和存在脱粘两种情况下颗粒与基体内的应力分布,分析了复合推进剂的细观失效机理。结果表明,在细观结构下,复合推进剂中的应力分布是不均匀的,推进剂一般首先在极区产生脱粘,颗粒的大小对推进剂的力学性能有较大影响。     

界面损伤对复合固体推进剂黏弹性本构关系的影响

基于Eshelby-Mori-Tanaka细观力学理论及Weilbull统计学方程,建立了含界面损伤的复合固体推进剂黏弹性本构关系,研究了均匀开裂、环向开裂和顶部与底部开裂3种界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系的影响。数值分析结果表明:界面损伤对推进剂黏弹性本构关系影响显著,使其呈现明显的非线性黏弹性;不同界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系影响程度各异。     

温度相依固体推进剂的蠕变损伤模型

针对复合固体推进剂材料,建立了与温度相耦合的蠕变损伤演变模型,进行了单轴和双轴条件下蠕变破断试验,确定了材料参数.该模型对复合固体推进剂的应力分析、寿命预估具有应用价值.     

固体推进剂动态力学行为研究进展

从动态力学表征、损伤机理、动态断裂和动态本构4个方面,对固体推进剂动态力学行为进行了综述。分析表明,动态力学实验重点关注固体推进剂的初始弹性模量、屈服应力、强度等参数,填充颗粒破裂是动态损伤的主要形态,动态断裂主要集中动态起裂研究,并对3类动态本构模型性进行了评述。在此基础上,梳理了下一步研究的重点,认为深化实验研究、力学数值模拟和含损伤热粘-超弹性动态本构模型将是下一步研究的重点。     

复合固体推进剂单向拉伸力学模型

本文提出了复合固体推进剂单向拉伸力学模型。导得的数学表达式指出：推进剂的伸长率不仅与弹性粘结体的伸长率和固体填料体积分数有关，而且还与界面粘结层厚度和固体粒子直径有关。理论计算结果较Ｔ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ和Ｆ．Ｂｕｅｃｈｅ的计算结果更接近实际推进剂的结果。     

丁羟基固体推进剂的破坏包络及其演化行为研究

分析了宽温域(-70 ℃～70 ℃)、泛加载速率(2～200 mm/min)条件下丁羟基固体推进剂的拉伸特性,获得了温度、应变率依赖的推进剂破坏包络;进一步采用循环载荷模拟空基反复巡航加载历史,研究了推进剂在服役环境中的破坏包络演化。结果表明：丁羟基固体推进剂的破坏包络满足平移原理,随着加载速率增大,破坏包络面向高温区平移,导致低温可靠性显著降低;经历循环载荷后,破坏包络整体向小断裂延伸率方向下移,导致可靠发射区域显著减小。研究结论将为复杂条件下的发动机设计及其贮存期可靠性分析提供支撑。     

环境压强对NEPE推进剂单向拉伸力学行为的影响

采用单向拉伸实验,研究了不同温度、不同拉速、不同环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响。结果表明,环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响存在一个阈值,超过该阈值后,环境压强对最大强度的影响不大,对最大伸长率无明显影响规律。同时,采用双剪强度理论,建立了NEPE推进剂最大剪应力强度与环境压强的关系。结果表明,两者呈现较好的线性关系,根据关系式得出,在低温下推进剂最大剪应力强度对环境压强更敏感,并对该关系式的其他应用进行了简要分析。采用SEM法观测结果表明,环境压强主要在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用。     

扩链剂对HTPB/IPDI推进剂力学性能的影响

研究了不同种类扩链剂对ＨＴＰＢ／ＩＰＤＩ推进力学性能的影响，结果表明，加入二醇类、两端含羟基的醚类扩链剂能改善丁羟推进剂力学性能，特别是大幅度提高推进剂低温最大伸长率；二胺类扩链剂使推进剂抗拉强度显著升高而伸长率显著下降。     

Experimental and theoretical extinction of solid rocket propellants by fast depressurization

Dynamic burning of solid rocket propellants following fast depressurization of the combustion chamber was studied experimentally. Extinction boundaries were constructed for different sets of values of the controlling parameters (such as initial pressure, final pressure and depressurization rate). Most experimental results were collected by testing a nonmetallized, ammonium perchlorate based, composite propellant (AP83/CTPB16/Al₂O₃). Experimental results show that, for a given final pressure, an extinction boundary in terms of maximum depressurization rate vs initial pressure can be constructed by go/no-go testing. The objective was to check experimentally the analytical predictions of dynamic extinction boundaries obtained by this research group for finite size disturbances. A good agreement was found between analytical, numerical, and experimental results.     

HTPB推进剂高压燃烧特性研究(英文)

对HTPB三组元和四组元推进剂在2~20 MPa平均压强范围内的燃烧特性进行了实验研究。结果表明,三组元推进剂可在20 MPa以下稳定工作;压强一旦超过20 MPa,燃速压强指数将趋近于1,发动机将无法正常工作。四组元推进剂在2~20 MPa压强范围内的燃速压强指数实测在0.3左右,满足发动机使用要求。四组元推进剂稳定燃烧的最高压强临界值达到34 MPa。研究结果对超高压强固体发动机工程研制具有一定的指导意义。     

适应高压燃烧的HTPB/AP/Al推进剂用钙盐降速剂研究

研究了碳酸钙(CaCO_3)和一种自制钙盐(CaOr)对HTPB/AP/Al推进剂燃烧性能和常温力学性能的影响,采用DSC-TG和SEM方法对比研究了CaOr、CaCO_3对AP热分解的影响,及含两种化合物的推进剂熄火表面形貌。结果表明,在3~17 MPa压强范围内,CaCO_3和CaOr均能有效降低HTPB/AP/Al推进剂的燃速和压强指数,CaOr比CaCO_3具有更好的燃速抑制效果,在高压段内的压强指数可降为0.17,达到平台推进剂水平。CaOr的加入使AP两个阶段的分解放热峰均向高温方向移动,CaCO_3对AP的低温分解峰没有影响,使AP的高温分解峰推迟。CaOr的降速效果优于CaCO_3的主要原因是其推迟了AP的低温分解峰,同时改变了AP的热分解历程,且在凝聚相中的分散性更好。     

固体填充剂对推进剂力学性能的影响

借助扫描电子显微镜（SEM）及微型动态拉伸装置测试手段，对含固体颗粒填充剂的丁羟复合固体推进剂（HTPB）和硝酸酯增塑的聚醚高能推进剂（NEPE）中的微相结构进行了断口微观形貌观察和推进剂拉伸试件在拉应力作用下的断裂过程分析。结果表明，固体颗粒的形状，粒径尺寸，粒度分布和级配变化，以及固体填料／粘合剂的界面性质等因素对推进剂力学性能有着重要的影响。